《數控機床》課程設計說明書- X-Y數控工作臺機電系統設計

1、濱州學院自動化系數控機床課程設計說明書設計題目： X-Y數控工作臺機電系統設計 班級： 08機械三班 姓名： 指導教師： 濱州學院自動化系 機械設計制造及其自動化專業(yè)機械三班2011年 6月 目錄一、設計任務二、設計主要步驟 三、機械部分裝配圖的繪制四、控制系統的設計計五、參考文獻六、總結體會一、總體方案設計1.1 設計任務題目：XY數控工作臺的機電系統設計任務：設計一種供立式數控銑床使用的XY數控工作臺，主要參數如下：1）工作臺面尺寸CBH245mm255mm39mm；2）底座外形尺寸C1B1H1445mm445mm295mm；3）工作臺加工范圍X=99mm，Y=99mm；4） X、Y方向的

2、脈沖當量均為0.005mm、脈沖；X、Y方向的定位精度均為0.01mm；5）負載重量G=295N；6）工作臺空載最快移動速度為3m/min；工作臺進給最快移動速度為1m/min。7）立銑刀的最大直徑d=20mm；8）立銑刀齒數Z=3；9）最大銑削寬度；10）最大背吃刀量。1.2 總體方案確定（1）機械傳動部件的選擇 導軌副的選擇 絲杠螺母副的選擇 減速裝置的選擇 伺服電動機的選擇 檢測裝置的選擇（2）控制系統的設計 圖1-1 系統總體框圖二、機械系統設計2.1、導軌上移動部件的重量估算重量：按重量=體積材料比重估算 （45鋼密度7.85g/立方厘米）工作臺面尺寸：245mm255mm39mm

3、；重量：16.88kg；上導軌座（連電機）重量：(100.21kg+1.1kg)x10N/kg=1013.1N；夾具及工件重量：315N； X-Y工作臺運動部分的總重量G：800N；2.2、銑削力的計算零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。查表得立銑刀的銑削力計算公式為代入上式得：N；其中，每齒進給量，銑刀轉速，可直接帶入計算。采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可查表得出，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：=2082. 3 N； =719.34N； =473.25N；現考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力=719.34N，受到水平方向的銑削力

4、分別為縱向銑削力=2082.3N（絲杠軸線方向），徑向銑削力=473.2N。2.3、直線滾動導軌的參數確定、滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取本設計中的XY工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為=1088.23N。其中，移動部件重量為G，外加載荷根據計算出的工作載荷，初選符合要求的直線滾動導軌副的型號：JSALG20。根據任務規(guī)定工作臺面尺寸，加工范圍及工作臺整體尺寸的要求，選擇導軌的長度為445mm;、額定壽命的L的校核計算(略)2.4、滾珠絲杠的設計計算滾珠絲杠的負荷包括銑削力及運動部

5、件的重量所引起的進給抗力。應按銑削時的情況計算。1、 最大工作載荷的計算 在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）為，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）為，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）為。已知移動部件的總重量G，按矩形導軌進行計算，查表，取傾覆力矩影響系數K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷為：=1.12082.3+0.005(719.34+473.25+1476.93) 2303.54N、最大動載荷的計算工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度，初選絲杠導程，則此時絲杠轉速=220r/min;取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入，得絲杠壽命系：

6、 =180;查表，取載荷系數，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數，代入式，求得最大動載荷=15607.54N.、初選型號根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的系列型，其額定動載，大于，滿足要求。表2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數名 稱符 號計算公式和結果螺紋滾道公稱直徑32螺距5接觸角鋼球直徑3.175螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角螺桿螺桿外徑螺桿內徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋外徑螺母內徑（外循環(huán)）、傳動效率計算式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。2.5、步進電機的選用、步進電機的步距角根據系統脈沖當量脈沖，滾珠絲杠的導程，初選步進電機步距角、步進電機快速空載

7、啟動時轉軸所承受的負載轉矩的計算=20.3N.mm其中是快速空載啟動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩。=2.3N.mm=54.2x10-3 式中： 折算到電機軸上的慣性負載（）； 步進電機轉軸的轉動慣量（）；齒輪1的轉動慣量（）；齒輪2的轉動慣量（）；滾珠絲杠的轉動慣量（）；M移動部件質量（）。對材料為鋼的圓柱零件轉動慣量可按下式估算式中：D圓柱零件直徑（cm）；L零件長度（cm）。所以 J1=8.087x10-4；J2=15.2x10-3；J3=3.9x10-3；電機軸轉動慣量很小，可以忽略。=1.25103;設步進電機由靜止到加速至所需時間為

8、，傳動鏈總效率為=31.3N.mm;式中：導軌的摩擦系數，滑動導軌取0.16； 垂直方向的工作負載，空載時取0； 傳動鏈總效率，取0.7； 傳動比，；步進電機最大工作負載狀態(tài)下轉軸所承受的負載轉矩的計算=（49.35+0.275）=49.6;是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩。=49.35N.m;=0.275N.m;=49.6N.m；、步進電機的最高工作頻率=10000Hz;查表選用兩個86BYG350AH0201型的步進電機，電機的有關參數見表2-2。型 號主要技術數據外形尺寸重量步距角最 大靜轉距最高空載啟動頻率()相數電壓電流外徑長度軸徑

9、86BYG350AH02010.75250300032728585693kg表2-2 步進電機參數2.5、確定齒輪傳動比因步進電機步距角，滾珠絲杠的導程，要實現脈沖當量，在傳動系統中應加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比選 Z1=12，Z2=25。2.6、確定齒輪模數及有關尺寸因傳遞的扭距較小，取模數m=2mm，齒輪有關尺寸見表2-3。表2-3 齒輪尺寸 12252428 19 6 505445637四、控制系統的設計4.1根據任務書的要求，設計控制系統的時主要考慮以下功能：（1） 接受操作面板的開關與按鈕信息（人機界面）；（2） 回零點操作；（3） 控制步進電動機的驅動器，并實現升降速；（4） 與

10、PC機的串行通信，并實現直線圓弧插補。4.2控制部分硬件選取4.2.1 CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲器擴展芯片。W27C512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴展AT89S52的RAM存儲器存放調試和運行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺方向，LED顯示器顯示當前工作臺坐標值；系統具有超程報警功能，并有越位開關和報警燈；其他輔助電路有復位電路，時鐘電路，越位報警指示電路（1）進給控制系統原理框圖（2）驅動電路流程設計步進電機的速度控制比較容易實現，而且不需要反饋電路

11、。設計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進給0.01mm。步進電機驅動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當功放電路出現故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。 圖6 步進電機驅動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉動一步。電路中與繞組并聯的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進電機采用的是五相十拍的工作方式（五個線圈A、B、C、D、

12、E），其正轉時通電順序為：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A.其反轉的通電順序為：A-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A。 （3）、驅動電源的選用，及驅動電源與控制器的接線方式 設計中X、Y向步進電動機均為45BF005-型，生產廠家為常州寶馬前楊電機電器有限公司。查步進電動機的資料，選擇與之匹配的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓為50V AC，相電流為3A，分配方式為五相十拍。該驅動電源與控制器的接線方式如圖7所示 圖74.3人機界面操作面板功能介紹1.位移狀態(tài)選擇開關以手動或自動操作工作臺的移動時，可通過旋轉此開關來改變工作臺的移動狀態(tài)位移控制2啟動開關（

13、按下此開關機床啟動）3停車開關（按下此開關機床停車。）4進給軸選擇按鈕開關按下欲運動的軸的按鈕。被選擇的軸會以相應的倍率進行移動，松開按鈕則軸停止移動。 5回零位鍵（按下此鍵工作臺回零位）6顯示器 八位晶體管顯示器，顯示工作臺的位置，精確到0.001mm。 X向位置 Y向位置7.X零位指示燈ON表示X向工作臺回零位。OFF表示X向工作臺沒有回零位。8.X限位報警ON表示X向工作臺到達極限位置，需要緊急停車。OFF表示X向工作臺沒有回零位 9.Y零位指示燈ON表示Y向工作臺回零位。OFF表示Y向工作臺沒有回零位。10.Y限位報警ON表示Y向工作臺到達極限位置，需要緊急停車。OFF表示Y向工作臺沒

14、有回零位11.正常運行指示燈ON表示機床正常運行。OFF表示機床沒有正常運行4.4接口程序初始化（回零點）4.41 8255A初始化程序。INTT: MOV DX, 8155A控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL4.4.2在零點處設置光電式碰撞開關，回到零點時，開關響應。4.5步進電機控制程序4.5.1步進電機驅動程序4.5.2電機的控制電路原理及控制字 節(jié)拍通電相控制字正轉反轉二進制十六進制110A00H29AB01H38B03H47BC02H55C06H65CD07H74D05H83DE04H92E0CH101EA0DH設電機總的運行

15、步數放在R4，轉向標志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標志位F1（D5）中，當F1為0時，電機正轉，為1時則反轉。正轉時P1端口的輸出控制字00H,01H,03H,02H,06H,07H,05H,04H,0CH,0DH存放在片內數據存儲單元20H29H中，2AH中存放結束標志00H，在2BH36H的存儲單元內反轉時P1端口的輸出控制字00H,0DH,0CH,04H,05H,07H,06H,02H,03H,01H,00H存放在37H單元內存放結束標志00H。4.6直線圓弧插補程序設計在機電設備中，執(zhí)行部件如要實現平面斜線和圓弧曲線的路徑運動，必須通過兩個方向運動的合成來完成。在數控機床中，這是由X、Y兩

16、個方向運動的工作臺，按照插補控制原理實現的。4.6.1直線插補程序的設計4.6.1.1用逐點比較法進行直線插補計算，每走一步，都需要以下四個步驟：偏差判別：判別偏差或，從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算公式。坐標進給：根據直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。偏差計算：進給一步后，計算新的加工偏差。終點判別：進給一步后，終點計算器減1.若為0，表示到達終點停止插補；不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計算判別可用兩個方向坐標值來判斷，也可由一個方向的坐標值來判斷。當，可用X方向走的總步數作為終點判別的依據，如動點X等于終點則停止。當，則用Y方向走的總步數作為終

17、點判別的依據。由此，第一象限直線插補程序的算法如圖4.6.1.2程序設計設計程序時，在RAM數據區(qū)分別存放終點坐標值、，動點坐標值X,Y，偏差。對8位機，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數據區(qū)必須進行初始化，如設置初始值、X、Y向步進電機初態(tài)（控制字）。插補程序所用的內存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXY電機正反轉控制字電機正反轉控制字為：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0為X向電機控制位。D0=1運行，D0=0停止；D1=1正轉，D1=0反轉。D2D3為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉，D3=0反轉。4.6.2 圓弧插補程序的設計4.6.2.1逐點比較法逐點比較法的圓弧的插補計算過程和直線插補過程基本相同，也分為偏差判別、坐標進給、偏差計算和終點判別四個步驟。不同點在于：（1）偏差計算公式步進與前一點偏差有關，還與前一點的坐標有關，在計算偏差的同時要進行坐標計算。（2）終點的判別是以一個方向的坐標值與終點坐標值相比較判斷其是否相等為判據。若，則以X是否等于作為終點判據；若，則以Y是否等于作為終點判據。第一象限逆圓弧插補程序算法如圖五、參考文獻 【1】、文懷興、夏田 .數控機床系統設計 北京：北京化工出版社，2005. 【2】、韓榮第 .金屬切削原理與刀具 哈爾